Патофизиология обмена веществ презентация

Патофизиология обмена веществ Кафедра патофизиологии СПбГМУ им.акад.И.П.Павлова

Патофизиология энергетического обмена

Расход и высвобожде- ние энергии

Этапы энергетического обмена Гидролитическое расщепление углеводов, белков, жиров в ЖКТ Образование общих промежуточных продуктов обмена Образование конечных продуктов обмена, сопряженное с накоплением энергии в АТФ (окислительное фосфорилирование)

I этап В результате гидролитического расщепления поступивших субстратов в ЖКТ образуются мономеры, которые могут утилизироваться клетками тканей. В процессе гидролиза пищевых веществ в виде тепла выделяется всего 0,6-1% кумулированной в исходных продуктах энергии.

II этап В результате межуточного обмена в клетках происходит образование таких соединений, как ацетил-КоА, пировиноградная, α-кетоглютаровая, янтарная, щавелевоуксусная кислоты и др. При этом в процессе диссимиляции освобождается около 1/3 энергии окисления расщепляющихся субстратов

III этап Окисление трикарбоновых кислот, сопряженное с фосфорилированием. Ацетил-КоА вносит свои ацетильные компоненты в цикл Кребса, где они полностью окисляются до СО2 и Н2О. При окислении каждой ацетильной группы имеет место перенос 4 пар электронов к кислороду с участием НАД и ФАД, при этом происходит образование АТФ – окислительное фосфорилирование.

Энергетический гомеостаз клетки Энергетический гомеостаз – комплекс взаимосвязанных ауторегулируемых реакций синтеза и распада адениновых нуклеотидов в клетках. Универсальный источник энергии в организма – АТФ (обеспечивает более 80% энергоемких процессов в клетках). Для оценки энергетического гомеостаза клетки используют величину электрического заряда (ЭЗ): АТФ+1/2АДФ ЭЗ= АМФ+АДФ+АТФ В нормальных условиях ЭЗ колеблется от 0,75 до 0,95 (диапазон стабилизации АТФ). В покое ЭЗ стремится к 1,0

ЭЗ отражает согласование энергообразующих процессов в клетках с интенсивностью протекания АТФ-зависимых процессов Первичное тепло 2Н++2е-+1/2О2 Н2О АДФ-синтетаза АТФ-аза АДФ+Н3РО4 АТФ АДФ+Н3РО4 Вторичное тепло

Нарушение энергетического обмена на уровне клетки Нарушение образования энергии Нарушение транспорта энергии Нарушение использования энергии Независимо от механизмов энергетического обмена в клетках формируется низкоэнергетическое состояние (НС) НС общее локальное обратимое необратимое

Нарушение образования энергии Дефицит энергетических субстратов (алиментарная недостаточность, нарушения проходимости пищевода, выраженных расстройствах переваривания и всасывания в ЖКТ и др) Снижение активности ферментов, участвующих в энергетическом обмене (гипо- и авитаминозы, интоксикации, нарушения регуляции синтеза ферментов и др.) Гликолитические яды: монойодуксусная кислота, арсенат, 2,4-дезоксиглюкоза Полная или частичная блокада цикла Кребса: дефицит пантотеновой и щавелевоуксусной кислот, тиамина и др. Специфические ингибиторы – малоат и фторацетат

Нарушение образования энергии Гипоксия. Результатом гипоксии является нарушение использования клетками углеводов. В клетках накапливаются недоокисленные продукты обмена, что приводит к развитию ацидоза и торможению гликолиза. Нарушение сопряжения окисления и фосфорилирования. Свободная энергия, освобождающаяся при переносе электронов, не запасается в молекуле АТФ, а выделяется в виде тепловой энергии (набухание митохондрий, переохлаждение, гипертиреоз, избыток жирных кислот, действие некоторых веществ – гало- и нитрофенолов, красителей, дикумарина и др.)

Нарушение транспорта энергии АТФ синтезируется в митохондриях, потребляется в энергозависимых реакциях вне их. Транспорт энергии существляется креатинфосфокиназной системой. Нарушения энергетического обмена адениннуклеотидов и креатинфосфата характерны для патологии миокарда и многих мышечных заболеваний (прогрессирующие мышечные дистрофии, полимиозиты, атрофические расстройства мышц в результате их денервации и др.).

Нарушение использования энергии Синтетические процессы в клетках осуществляются за счет энергии АТФ либо при участии других производных высокоэнергетических соединений, получающих свои концевые фосфатные группы от АТФ (дезоксирибонуклеотид-5-фосфаты, нуклеотид-5 фосфаты и др.). Энергия, необходимая для активного транспорта, высвобождается К+, Na+, Са++-АТФ-азами, встроенными в мембраны. Прохождение натрия в клетку запускает процесс фосфорилирования, выход калия из клетки – дефосфорилирования белков, поэтому нарушение функционирования АТФ-аз сопровождается нарушением использования энергии.

Активный транспорт ионов может блокироваться или активироваться токсинами, специфическими ингибиторами и др. Уабаин (строфантин Г) ингибирует калийзависимое выведение натрия из клеток сердца и других тканей: Na+,К+-зависимую АТФ-азу. Развивается Na+-гистия, потеря клетками калия, усиливается натрий-зависимый вход Са++ в клетку, что приводит к появлению эктопических очагов возбуждения и нарушениям ритма сердца.

Мышечное перенапряжение (перетренированность)

Нарушение энергетического обмена на уровне целостного организма. Суточная потребность энергии у взрослого человека – 25-30 ккал/кг массы тела в сутки. Энергетические затраты – 2500-5000 ккал в сутки Энергетические затраты измеряются методами прямой и непрямой калориметрии Непрямая калориметрия – определение расхода энергии по кислородному запросу: О2•КК где КК – калорический коэффициент, который колеблется от 4,69 до5,05 в зависимости от дыхательного коэффициента (ДК)

Основной обмен Основной обмен – энергетические затраты, связанные с поддержанием необходимого для жизни уровня окислительных процессов, деятельностью постоянно работающих внутренних органов, обеспечением минимального мышечного тонуса. Добавочный расход энергии – энергетические затраты, связанные с поддержанием позы, температуры тела (вне зоны комфорта), специфически-динамическим действием пищи, а также с расходом энергии, обусловленным профессиональной деятельностью (рабочий обмен).

Основной обмен Основной обмен определяется в стандартных условиях: через 12-18 часов после последнего приема пищи, в утренние часы, при температура окружающей среды 18-200С, в состоянии мышечного покоя. Основной обмен у взрослого человека – 1400-1700 ккал/сут.

Согласно формуле Дрейера, суточная величина основного обмена в килокалориях (H) составляет: Согласно формуле Дрейера, суточная величина основного обмена в килокалориях (H) составляет:   H=W/K∙A0,1333   где W — масса тела, г; А — возраст человека; К — константа, равная для мужчины 0,1015, а для женщины — 0,1129.

Факторы, влияющие на сновной обмен Пол (у женщин на 10-15% ниже) Возраст (у новорожденных – 38-42 ккал/кг массы, у1,5-годовалых – 56-60 ккал/кг, у 7-летних – 44-45 ккал/кг, у 12-летних – 32-34 ккал/кг, у взрослых – 25-30 ккал/кг). Характер питания (при белковом питании основной обмен выше) Воздействие климатических факторов (адаптация к холоду) Отклонения ОО более, чем на 10-15% - показатель патологии.

Причины повышения основного обмена Нарушение нервной регуляции обменных процессов: повышение тонуса СНС, эмоциональный стресс, опухоли мозга и др. Нарушение эндокринной регуляции (щитовидная железа, гипофиз, надпочечники) Лихорадка (повышение температуры тела на 10С увеличивает энергетические потребности на 10%) Усиленная работааппарата внешнего дыхания и ССС в покое Эндогенные и экзогенные интоксикации

Причины понижения основного обмена Нарушение эндокринной регуляции Длительное голодание Снижение мышечной активности Приспособительные реакции (высотная акклиматизация – снижение ОО пропорционально рО2 крови)

Изменение дыхательного коэффициента Дыхательным коэффициентом (ДК) называется отношение объема выделенного СО2 к объему поглощенного О2. Дыхательный коэффициент различен при окислении белков, жиров и углеводов. Общий итог окисления молекулы глюкозы можно выразить формулой:   С6Н12О6 + 6 О2 = 6 СО2 + 6 Н2О При окислении глюкозы число молекул образовавшегося СО2 равно числу молекул затраченного (поглощенного) О2. Равное количество молекул газа при одной и той же температуре и одном и том же давлении занимает один и тот же объем (закон Авогадро—Жерара). Следовательно, дыхательный коэффициент (отношение СО2/О2) при окислении глюкозы и других углеводов равен единице.  

При окислении жиров и белков дыхательный коэффициент будет ниже единицы. При окислении жиров дыхательный коэффициент равен 0,7. При окислении жиров и белков дыхательный коэффициент будет ниже единицы. При окислении жиров дыхательный коэффициент равен 0,7. Пример: окисление трипальмитина:   2 С3Н5 (С15Н31СОО)3 + 145 О2 = 102 СО2 + 98 Н2О   Отношение между объемами углекислого газа и кислорода составляет в данном случае:   102 CO2/45 O2=   0,703 При окислении белка в организме дыхательный коэффициент равен 0,8. При смешанной пище у человека дыхательный коэффициент обычно равен 0,85—089.

Изменение энергетических потребностей при некоторых патологических состояниях (в % к норме)

Голодание

Голодание – типовой патологический процесс, развивающийся в результате полного отсутствия или недостаточного поступления в организм пищевых веществ, либо при нарушениях состава пищи и ее усвоения Голодание – типовой патологический процесс, развивающийся в результате полного отсутствия или недостаточного поступления в организм пищевых веществ, либо при нарушениях состава пищи и ее усвоения Полное голодание (ПГ) может быть абсолютным (без поступления пищи и воды) и относительным (с потреблением воды) Полное абсолютное голодание приводит к гибели организма через 7-9 дней. Неполное голодание – недостаточное поступление с пищей белков, жиров, углеводов. Калорийность снижена. Частичное голодание – недостаточное поступление с пищей одного или нескольких необходимых компонентов (витаминов, белков, микроэлементов). Калорийность может быть в пределах нормы.

Периоды полного голодания Период адаптации (7-9 дней) Стационарный период (50-60 дней) Терминальный период (2-3 дня) Суточная потребность организма в энергии - 1500-1700 ккал Энергетические резервы: Гликоген – 1600 ккал Мобилизуемые белки – 24000 ккал Триацилглицериды – 135000 ккал Величина запасов, которые организм может использовать при голодании – 40-50% от массы тела

Период адаптации Первые 1-2 дня – расход углеводов. ДК=1,0 Весовые потери – 1,0-1,4 кг/сут (потеря жидкости и продуктов катаболизма) Изменения гормонального фона: активизация САС (содержание адреналина возрастает в 5-7 раз), увеличение АКТГ, кортизола, альдостерона, снижение тиреоидных гормонов, пролактина, гистамина. Уменьшение секреции инсулина, увеличение продукции глюкагона.

Стационарный период голодания Уменьшается утилизация глюкозы мышцами и жировой тканью Интенсификация липолиза, выработка энергии за счет свободных жирных кислот Индукция синтеза ферментов, обеспечивающих использования тканями кетоновых тел (концентрация кетонов возрастает в 20-30 раз) ДК=0,7 «Спонтанная» желудочная секреция Метаболический кетоацидоз (6-9-й день)

Утилизация глюкозы головным мозгом После отдыха Утомление

Мозг

Терминальный период голодания Наступает после потери 40-45% от исходной массы тела (у взрослого человека массой 70 кг – на 65-75 день) В качестве энергетического субстрата используются незаменимые белковые структуры Белковое истощение Снижение теплопродукции Нарушение деятельности нервной и эндокринной систем

Нервная анорексия

Bulimia nervosa

Механизмы нарушений углеводного обмена Недостаточное или избыточное поступление углеводов с пищей Нарушение расщепления и всасывания углеводов в ЖКТ Нарушения межуточного обмена углеводов и образования конечных продуктов их распада.

Нарушение расщепления и всасывания углеводов в ЖКТ Первичная ферментативная недостаточность (дефицит лактазы в кишечнике)

Нарушение расщепления и всасывания углеводов в ЖКТ Дефицит амилазы поджелудочной железы (закупорка выводного протока). Симптом – амиллорея. Гипоксия, отек слизистой кишки, отравления – нарушение всасывания Вторичная моно-и и дисахаридная недостаточность (НЯК, резекция кишки, мезентериальный тромбоз, опухоли и др).

Нарушения метаболизма гликогена Типы гликогенозов на основании биохимической природы дефекта: О тип (агликеноз) характеризуется резким снижением запасов гликогена в печени, наблюдается состояние вплоть до развития комы (гипогликемический синдром). I тип, дефект глюкозо-6-фосфатазы (болезнь Гирке) II тип, дефект кислотной мальтазы (болезнь Помпе) III тип, нарушение фермента, устраняющего разветвления гликогена (болезнь Кори или болезнь Форбса) IV тип, нарушение процесса ветвления гликогена (болезнь Андерсена) V тип, нарушение мышечной фосфорилазы гликогена (болезнь Мак-Ардля) VI тип, дефект фосфорилазы печени (болезнь Герса) VII тип, дефект фосфофруктокиназы мышц (Болезнь Таруи) IX тип, дефект фосфорилазы киназы XI тип, нарушение транспорта глюкозы (болезнь Фанкони-Бикеля) К мышечным относят гликогенозы V и VII типов, к печеночным – О, I, III, IV, VI, VIII, IX, Х, Х типов.

Нарушение обмена мукополисахаридов Мукополисахаридозы – болезни накопления, обусловленные дефектом одного из лизосомных ферментов, участвующих в обмене мукополисахаридов (обеспечивают распад гликозаминогликанов) с накоплением последних в органах и тканях

Нарушение метаболизма моносахаридов и образования конечных продуктов обмена углеводов Галактоземия (дефицит гексозо-6-фосфат-уридилтрансферазы) Фруктозурия (накопление фруктозо-6 фосфата)